Tester kapacity batérie pomocou Arduina [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Vlastnosti:

• Identifikujte falošnú lítium-iónovú/lítium-polymérovú/NiCd/NiMH batériu
• Nastaviteľné zaťaženie konštantným prúdom (môže byť tiež zmenené užívateľom)
• Schopný merať kapacitu takmer akéhokoľvek druhu batérie (pod 5V)
• Jednoduché spájkovanie, stavanie a používanie, dokonca aj pre začiatočníkov (všetky komponenty sú ponorné)
• Užívateľské rozhranie LCD

Technické údaje:

• Napájanie dosky: 7V až 9V (max.)
• Vstup batérie: 0-5V (max)-žiadna opačná polarita konštantná
• Aktuálne zaťaženie: 37mA až 540mA (max) - 16 krokov - môže upraviť užívateľ

Skutočné meranie kapacity batérie je nevyhnutné pre mnoho scenárov. Zariadenie na meranie kapacity môže tiež vyriešiť problém s rozpoznaním falošných batérií. V dnešnej dobe sú falošné lítiové a NiMH batérie všade, kde nie sú v prevádzke ich inzerované kapacity. Niekedy je ťažké rozlíšiť skutočnú a falošnú batériu. Tento problém existuje na trhu s náhradnými batériami, ako sú batérie mobilných telefónov. Okrem toho je v mnohých scenároch nevyhnutné určiť kapacitu použitej batérie (napríklad batérie prenosného počítača). V tomto článku sa naučíme stavať obvod na meranie kapacity batérie pomocou známej dosky Arduino-Nano. Dosku PCB som navrhol pre ponorné komponenty. Spájkovať a používať zariadenie tak môžu aj začiatočníci.

1: Analýza obvodu Na obrázku 1 je schematický diagram zariadenia. Jadrom obvodu je doska Arduino-Nano.

Krok 1: Obrázok 1, schematický diagram zariadenia na meranie kapacity batérie

IC1 je čip LM358 [1], ktorý obsahuje dva operačné zosilňovače. R5 a C7 stavajú dolnopriepustný filter, ktorý prevádza impulz PWM na jednosmerné napätie. Frekvencia PWM sa pohybuje okolo 500 Hz. Na vyšetrenie správania PWM a filtra som použil osciloskop Siglent SDS1104X-E. Pripojil som CH1 k výstupu PWM (Arduino-D10) a CH2 k výstupu filtra (obrázok 2). Môžete dokonca preskúmať frekvenčnú odozvu filtra a jeho medznú frekvenciu „v praxi“pomocou diagramu bode, ktorý je jednou z príjemných predstavených funkcií SDS1104X-E.

Krok 2: Obrázok 2, signál PWM (CH1: 2V/div) a výsledok po prechode cez RC filter R5-C7 (CH2: 50mV/div)

R5 je 1M odpor, ktorý výrazne obmedzuje prúd, ale výstup filtra prechádza cez zosilňovač (druhý zosilňovač IC1) v konfigurácii sledovača napätia. Prvý operačný zosilňovač IC1, R7 a Q2 buduje obvod zaťaženia konštantným prúdom. Doteraz sme vybudovali PWM regulovateľné zaťaženie konštantným prúdom.

2*16 LCD sa používa ako užívateľské rozhranie, ktoré uľahčuje ovládanie/úpravy. Potenciometer R4 nastavuje kontrast LCD. R6 obmedzuje prúd podsvietenia. P2 je 2 -kolíkový konektor Molex, ktorý sa používa na pripojenie 5V bzučiaka. R1 a R2 sú výsuvné odpory pre hmatové prepínače. C3 a C4 sa používajú na odpojenie tlačidiel. C1 a C1 sa používajú na filtráciu napájacieho napätia obvodu. C5 a C6 sa používajú na filtráciu šumov v obvode zaťaženia konštantným prúdom, aby nedošlo k zníženiu výkonu prevodu ADC. R7 funguje ako záťaž pre Q2 MOSFET.

1-1: Čo je to jednosmerné zaťaženie konštantným prúdom?

Zaťaženie konštantným prúdom je obvod, ktorý vždy čerpá konštantné množstvo prúdu, aj keď sa použité vstupné napätie líši. Ak napríklad pripojíme záťaž s konštantným prúdom k zdroju napájania a nastavíme prúd na 250mA, odber prúdu sa nezmení ani vtedy, ak je vstupné napätie 5V alebo 12V alebo čokoľvek. Táto funkcia obvodu zaťaženia konštantným prúdom nám umožňuje postaviť zariadenie na meranie kapacity batérie. Ak použijeme na meranie kapacity batérie jednoduchý odpor, pri poklese napätia batérie sa zníži aj prúd, čo spôsobí, že výpočty sú zložité a nepresné.

2: doska plošných spojov

Obrázok 3 zobrazuje navrhnuté usporiadanie obvodu plošnými spojmi. Obe strany dosky slúžia na montáž komponentov. Keď mám v úmysle navrhnúť schému/PCB, vždy používam knižnice komponentov SamacSys, pretože tieto knižnice sa riadia priemyselnými štandardmi IPC a všetky sú bezplatné. Tieto knižnice som použil pre IC1 [2], Q2 [3] a dokonca som našiel aj knižnicu Arduino-Nano (AR1) [4], ktorá ušetrila veľa času pri navrhovaní. Používam CAD softvér Altium Designer, takže som na nainštalovanie knižníc komponentov použil plugin Altium [5]. Obrázok 4 zobrazuje vybrané komponenty.

Krok 3: Obrázok 3, doska plošných spojov obvodu merania kapacity batérie

Keď mám v úmysle navrhnúť schému/PCB, vždy použijem knižnice komponentov SamacSys, pretože tieto knižnice dodržiavajú priemyselné štandardy IPC a všetky sú bezplatné. Tieto knižnice som použil pre IC1 [2], Q2 [3] a dokonca som našiel aj knižnicu Arduino-Nano (AR1) [4], ktorá ušetrila veľa času pri navrhovaní. Používam CAD softvér Altium Designer, takže som na nainštalovanie knižníc komponentov použil plugin Altium [5]. Obrázok 4 zobrazuje vybrané komponenty.

Krok 4: Obrázok 4, Nainštalované komponenty z doplnku SamacSys Altium

Doska plošných spojov je o niečo väčšia ako 2*16 LCD, aby sa zmestili tri hmatové tlačidlá. Obrázky 5, 6 a 7 zobrazujú 3D pohľady na dosku.

Krok 5: Obrázok 5: 3D pohľad na zostavenú dosku s plošnými spojmi (HORNE), Obrázok 6: 3D pohľad na zostavenú dosku s plošnými spojmi (bočný), obrázok 7: 3D pohľad na zostavenú dosku s plošnými spojmi (dole)

3: Montáž a test Na stavbu rýchleho prototypu a testovanie obvodu som použil polodomácu dosku s plošnými spojmi. Obrázok 8 zobrazuje obrázok dosky. Nemusíte ma nasledovať, stačí si objednať DPS u profesionálnej spoločnosti na výrobu DPS a zostrojiť zariadenie. Pre R4 by ste mali použiť typ stojaceho potenciometra, ktorý vám umožní nastaviť kontrast LCD zo strany dosky.

Krok 6: Obrázok 8: Obrázok prvého prototypu na polodomácej doske s plošnými spojmi

Po spájkovaní súčiastok a príprave testovacích podmienok sme pripravení otestovať náš obvod. Nezabudnite na MOSFET (Q2) namontovať veľký chladič. Vybral som R7 ako 3-ohmový odpor. To nám umožňuje generovať konštantné prúdy až do 750mA, ale v kóde som nastavil maximálny prúd niekde okolo 500mA, čo na náš účel stačí. Znížením hodnoty odporu (napríklad na 1,5 ohmu) môžete dosiahnuť vyššie prúdy, musíte však použiť výkonnejší odpor a upraviť kód Arduino. Obrázok 9 zobrazuje dosku a jej vonkajšie zapojenia.

Krok 7: Obrázok 9: Zapojenie zariadenia na meranie kapacity batérie

Na napájací vstup pripravte napätie niečo okolo 7V až 9V. Na výrobu lišty +5V som použil regulátor dosky Arduino. Na napájací vstup preto nikdy neprikladajte napätie vyššie ako 9V, inak by ste mohli poškodiť čip regulátora. Doska bude napájaná a na LCD by ste mali vidieť text, rovnaký ako na obrázku 10. Ak použijete 2 x 16 LCD modré podsvietenie, obvod spotrebuje okolo 75 mA.

Krok 8: Obrázok 10: Správna indikácia zapnutia obvodu na LCD displeji

Asi po 3 sekundách sa text vymaže a na ďalšej obrazovke môžete upraviť hodnotu konštantného prúdu pomocou tlačidiel hore/dole (obrázok 11).

Krok 9: Obrázok 11: Nastavenie zaťaženia konštantným prúdom pomocou tlačidiel hore/dole

Pred pripojením batérie k zariadeniu a meraním jej kapacity môžete obvod preskúmať pomocou napájacieho zdroja. Za týmto účelom by ste mali pripojiť konektor P3 k napájaciemu zdroju.

Dôležité: Na vstup batérie nikdy nepoužívajte napätie vyššie ako 5 V alebo s opačnou polaritou, inak poškodíte pin digitálneho prevodníka Arduino na prevodník

Nastavte požadovaný prúdový limit (napríklad 100 mA) a hrajte s napätím zdroja (zostaňte pod 5 V). Ako vidíte na akomkoľvek vstupnom napätí, tok prúdu zostáva nedotknutý. Presne to chceme! (Obrázok 12).

Krok 10: Obrázok 12: Tok prúdu zostáva konštantný aj pred kolísaním napätia (testované so vstupmi 4,3 V a 2,4 V)

Tretie tlačidlo je Reset. To znamená, že sa doska reštartuje. Je to užitočné, keď plánujete znova spustiť postup na testovanie iného masla.

Teraz ste si však istí, že vaše zariadenie funguje bezchybne. Môžete odpojiť napájanie a pripojiť batériu k vstupu batérie a nastaviť požadovaný prúdový limit.

Na spustenie vlastného testu som vybral úplne novú lítium-iónovú batériu s výkonom 8 800 mAh (obrázok 13). Vyzerá to na fantastickú sadzbu, však ?! Tomu však nemôžem uveriť:-), tak to vyskúšajme.

Krok 11: Obrázok 13: Lítium-iónová batéria 8 800 mAh, skutočná alebo falošná ?

Pred pripojením lítiovej batérie k doske ju musíme nabiť, preto si prosím pripravte pevný 4,20 V (limit 500 mA CC alebo nižší) pomocou napájania (napríklad pomocou variabilného spínaného zdroja v predchádzajúcom článku) a nabite batériu, kým prúdový tok nedosiahne nízku úroveň. Nenabíjajte neznámu batériu vysokými prúdmi, pretože si nie sme istí jej skutočnou kapacitou! Vysoké nabíjacie prúdy môžu vybuchnúť batériu! Buď opatrný. V dôsledku toho som dodržal tento postup a naša batéria 8 800mA je pripravená na meranie kapacity.

Na pripojenie batérie k doske som použil držiak batérie. Uistite sa, že používate hrubé a krátke vodiče, ktoré prinášajú nízky odpor, pretože rozptyl energie vo vodičoch spôsobuje pokles napätia a nepresnosť.

Nastavíme prúd na 500mA a dlho stlačíme tlačidlo „HORE“. Potom by ste mali počuť pípnutie a postup sa začne (obrázok 14). Nastavil som hraničné napätie (nízky prah batérie) na 3,2 V. Túto prahovú hodnotu v kóde môžete upraviť, ak chcete.

Krok 12: Obrázok 14: Postup výpočtu kapacity batérie

V zásade by sme mali vypočítať „životnosť“batérie predtým, ako jej napätie dosiahne prah nízkej úrovne. Obrázok 15 zobrazuje čas, kedy zariadenie odpojí jednosmerný prúd od batérie (3,2 V) a vykonajú sa výpočty. Zariadenie tiež generuje dve dlhé pípnutia na označenie konca postupu. Ako vidíte na LCD displeji, skutočná kapacita batérie je 1 190 mAh, čo je ďaleko od tvrdenej kapacity! Rovnakým spôsobom môžete otestovať akúkoľvek batériu (nižšiu ako 5V).

Krok 13: Obrázok 15: Skutočne vypočítaná kapacita 8 800mA menovitej lítium-iónovej batérie

Obrázok 16 zobrazuje kusovník tohto obvodu.

Krok 14: Obrázok 16: Kusovník

Krok 15: Referencie

Zdroj článku:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: